汽車保險(xiǎn)杠用6013P鋁合金擠壓型材工藝研究

崔 雷

（華加日西林實(shí)業(yè)有限公司，深圳 518118）

0 前言

隨著人們對環(huán)境保護(hù)和提升燃油經(jīng)濟(jì)性的呼聲逐漸增高，對降耗減排的要求日趨嚴(yán)格。如果汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%以上，所以汽車輕量化是大勢所趨。而用鋁合金材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼鐵材料制造汽車可使車身減重40%以上。然而隨著材料重量的減輕，為了保證車體的安全性，對材料的技術(shù)要求也將越來越高。

然而，隨著客戶對材料力學(xué)性能要求的不斷提高，尤其是對汽車保險(xiǎn)杠用鋁合金型材的要求也越來越高，而目前普遍采用的6061、6082等中等強(qiáng)度合金（即抗拉強(qiáng)度≥320 MPa，屈服強(qiáng)度（290±20） MPa，A50mm延伸率≥10%）已不能滿足客戶的要求。6013鋁合金是美國鋁業(yè)公司研究開發(fā)的一種新型鋁合金，其最初的應(yīng)用目標(biāo)為汽車行業(yè)，通過零部件重量的降低來提高燃油消費(fèi)效率[1]。但目前該合金基本都是以板材為主，其力學(xué)性能普遍為抗拉強(qiáng)度≥350 MPa，屈服強(qiáng)度≥320 MPa，A50mm延伸率≥10%，同時(shí)保持著優(yōu)良的耐蝕性和成型性[2]。因此，經(jīng)評估我們選用6013鋁合金來擠壓空心型材，同時(shí)在6013鋁合金基礎(chǔ)上對化學(xué)成分進(jìn)行了優(yōu)化處理。通過合理控制主要元素Mg、Si、Cu的含量，并對擠壓生產(chǎn)工藝進(jìn)行驗(yàn)證確認(rèn)，使材料的力學(xué)性能完全滿足客戶的技術(shù)要求，同時(shí)也填補(bǔ)了6013合金空心型材研發(fā)的空白。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用直徑為203 mm的6013P鋁合金鑄棒，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 6013P鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

1.2 試驗(yàn)方案

采用2 500 t正向擠壓機(jī)，空心型材最大壁厚為2.5 mm。由于6013P鋁合金鑄棒擠壓性差，型材截面難度大，所以為了保證型材能順利擠壓出來，其首棒需要用高溫短棒進(jìn)行填充，慢速上壓。型材擠壓出來后，根據(jù)擠壓突破壓力大小，調(diào)整正常棒溫。出料速度分別設(shè)定為5 m/min、6 m/min和7 m/min，淬火方式為在線穿水冷卻，時(shí)效工藝制度為175 ℃，時(shí)效時(shí)間分別為8 h、9 h、10 h、11 h、12 h、13 h。分析不同出料速度和不同時(shí)效工藝對材料力學(xué)性能的影響[3]。

分別在第2、3、4支擠壓型材上取約250 mm拉伸試樣（第1支擠壓型材報(bào)廢處理），然后用電加熱爐進(jìn)行175 ℃×11 h、175 ℃×12 h、175 ℃×13 h人工時(shí)效處理。時(shí)效后采用10 kN電子拉伸試驗(yàn)機(jī)對試樣進(jìn)行測試，并通過拉伸數(shù)據(jù)結(jié)果最終確認(rèn)合理的擠壓工藝制度。

2 試驗(yàn)分析

2.1 出料速度對6013P鋁合金力學(xué)性能的影響

在研發(fā)開始階段，為了滿足A50mm≥13.5%，同時(shí)保證抗拉強(qiáng)度≥380 MPa，對6013P鋁合金化學(xué)成分中Cu含量進(jìn)行了適當(dāng)控制。Cu是鋁合金中重要的合金化學(xué)元素，有一定的固溶強(qiáng)化作用，CuAl2（θ相）有著明顯的時(shí)效強(qiáng)化效果。然而強(qiáng)度提高勢必會引起塑性的降低，因此Cu含量也不宜太高[4]。6013P鋁合金的強(qiáng)度比一般6×××系鋁合金要高，但擠壓性相對較差。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際突破壓力值，鑄棒加熱溫度采用（520±5）℃，其型材可以順利擠壓出來。而且出料速度不能太快或太慢，即如果出料過快，型材內(nèi)腔會出現(xiàn)不同程度的刮爛現(xiàn)象；出料速度太慢，型材的淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間過長，導(dǎo)致力學(xué)性能低。因此，綜合以上因素，本試驗(yàn)分別采用了5 m/min、6 m/min和7 m/min 3組不同的出料速度進(jìn)行擠壓試驗(yàn)分析[5]。檢測結(jié)果如表2所示。

表2 出料速度對力學(xué)性能的影響

出料速度為5~7 m/min時(shí)，6013P鋁合金均具有較好的擠壓性能，型材無壓爛現(xiàn)象。從表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，隨著出料速度的提高，6013P鋁合金的強(qiáng)度逐漸升高，延伸率略有所下降。

根據(jù)客戶的技術(shù)要求，在出料速度為7 m/min時(shí)，材料的抗拉強(qiáng)度和延伸率均滿足要求。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際擠壓情況，最終將型材的出料速度設(shè)定為7 m/min。

2.2 不同出料速度下時(shí)效態(tài)的金相組織觀察

分別對3種不同出料速度的型材截面的同一位置取樣進(jìn)行高倍金相組織分析，其金相顯微組織如圖1所示。

圖1 不同出料速度下時(shí)效態(tài)的金相組織圖

從圖1中3種不同出料速度時(shí)效態(tài)下的金相組織可以看出，圖1（a）的平均晶粒度為81.1 μm，（b）的平均晶粒度為77.4 μm，（c）的平均晶粒度為63.1 μm。隨著出料速度的不斷提高，時(shí)效后的型材平均晶粒度越來越均勻細(xì)小，抗拉強(qiáng)度也越來越高。

2.3 時(shí)效工藝對6013P鋁合金力學(xué)性能的影響

根據(jù)相關(guān)技術(shù)資料表明，6013鋁合金時(shí)效工藝采用177 ℃可獲得較高的力學(xué)性能[6]。因此，結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際情況，采用175 ℃、分別時(shí)效8 h、9 h、10 h、11 h、12 h和13 h后對6013P鋁合金進(jìn)行力學(xué)性能論證試驗(yàn)。測試結(jié)果如表3所示。

表3 時(shí)效工藝對力學(xué)性能的影響

通過表3可以看出，前2種時(shí)效工藝得到的6013P鋁合金抗拉強(qiáng)度都在380 MPa以下，沒有達(dá)到客戶的技術(shù)要求，故不能采用。第3、4、6種時(shí)效工藝得到的6013P鋁合金抗拉強(qiáng)度和延伸率雖然達(dá)到了客戶的技術(shù)要求，但有不合格的風(fēng)險(xiǎn)，故也不能采用。結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)，最終將型材的時(shí)效工藝設(shè)定為175 ℃×12 h。

3 結(jié)論

（1）通過對6013P鋁合金擠壓工藝的研究，確定了擠壓空心型材時(shí)6013P鋁合金合理的出料速度為7 m/min，鑄棒溫度控制在（520±5）℃范圍內(nèi)。

（2）通過對6013P鋁合金擠壓工藝的研究，確定了擠壓空心型材時(shí)6013P鋁合金合理的時(shí)效工藝參數(shù)為175 ℃×12 h。

按照以上擠壓工藝參數(shù)，用6013P化學(xué)成分鋁合金生產(chǎn)空心鋁型材截面時(shí)，完全可以保證抗拉強(qiáng)度≥380 MPa、A50mm延伸率≥13.5%的技術(shù)指標(biāo)，不僅填補(bǔ)了6013鋁合金空心型材研發(fā)生產(chǎn)的空白，更為今后的大批量生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。